KR102451534B1 - 동력 발생 시스템용 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 개시내용은 초임계 유체를 사용하는 동력 발생 시스템용 열교환기 및 관련 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 작동 중에 축방향 힘을 최소화하도록 구성된 열교환기에 관한 것이다.

Description

동력 발생 시스템용 열교환기{HEAT EXCHANGER FOR A POWER GENERATION SYSTEM}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 그 전체 내용이 본 명세서에서 원용되는 2014년 8월 22일자로 출원된 미국 특허 가출원 62/040,988호의 우선권을 주장한다.
기술분야
본 발명은 초임계 유체를 사용하는 동력 발생 시스템용 열교환기 및 관련 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 브레이턴 사이클과 같은 열역학적 동력 발생 사이클은 대기와 같은 이상 기체를 이용한다. 그런 사이클은 공기가 사이클의 일부를 통해 유동한 후에 연료의 연소에 의해 발생된 상당량의 열이 사이클로부터 소실되도록 비교적 고온에서 대기로 다시 배기된다는 점에서 개방형이다. 브레이턴 사이클 내에서 폐열을 포획 및 이용하는 일반적인 방법은 터빈 배기 가스로부터 열을 추출하여 열교환기를 통해 압축기로부터 배출되는 공기로 전달하기 위해 복열 장치를 사용하는 것이다. 그런 열전달은 연소기로 유입되는 공기의 온도를 상승시키기 때문에, 더 적은 연료가 소정의 터빈 입구 온도를 달성하는데 요구된다. 그 결과 전체 열역학적 사이클의 열효율이 향상된다. 그러나, 그런 복열 사이클의 경우에도 열은 고온 소스에서 저온 싱크로만 유동하기 때문에 터빈 배기 가스 온도가 압축기 배출 공기의 온도 미만으로 결코 냉각될 수가 없다는 사실로 인해 열효율이 제한된다. 아주 최근에는, 폐쇄형 열역학적 동력 발생 사이클에서 초임계 이산화탄소("SCO2")와 같은 초임계 유체를 사용하는 것에 대한 관심이 늘어나고 있다.
초임계 유체를 사용하는 통상적인 열역학적 동력 발생 사이클은 작동 유체가 초임계 유체인 제1 브레이턴 사이클 및 작동 유체가 주변 공기인 제2 브레이턴 사이클 내에 배열된 압축기, 터빈, 연소기 및 열교환기를 포함한다. 초임계 유체 사이클과 주변 공기 사이클 사이에서 열을 전달하도록 요구되는 열교환기는 대형이고 고가이며 실시가 불가능할 수도 있다. 유동 사이클을 보다 효과적으로 관리하는 것은 초임계 유체 사이클을 이용하는 동력 발생 시스템의 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.
본 개시내용의 실시예는 동력 발생 시스템을 위해 구성된 열교환기이다. 열교환기는 제1 단부 및 축방향을 따라 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 갖는 적어도 하나의 판 조립체를 포함한다. 각각의 판 조립체는 서로에 대해 적층된 복수의 판을 포함한다. 적어도 하나의 판 조립체는 제1 유동 배열체(flow configuration) 및 제1 유동 배열체와 분리되어 있는 제2 유동 배열체를 형성한다. 제1 및 제2 유동 배열체는 제1 및 제2 유체를 적어도 하나의 판 조립체를 통해 각각 안내하기 위해 제1 단부에서 제2 단부까지 연장된다. 열교환기는 적어도 하나의 판 조립체가 적어도 미리 결정된 온도에 노출될 때 판 조립체에 인가된 장력을 저감시키기 위해 각각의 판이 축방향을 따라 적어도 부분적으로 팽창되도록 축방향을 따라 적어도 하나의 판 조립체에 장력을 인가하는 케이싱 조립체를 포함한다.
상술된 요약뿐만 아니라 실시예에 대한 이하의 상세한 설명은 첨부 도면과 함께 판독될 때 보다 양호하게 이해될 것이다. 본 발명의 예시를 위해, 도면은 바람직한 실시예를 도시한다. 그러나, 본 발명은 도면에 도시된 특정 수단에 제한되지 않는다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 열교환기의 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 매니폴드와 케이싱 조립체의 일부가 예시를 위해 제거된 상태인 도 1에 도시된 열교환기의 사시도이다.
도 3a는 도 1에 도시된 열교환기에 사용된 외부 블록의 사시도이다.
도 3b는 도 1에 도시된 열교환기에 사용된 중간 블록의 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 열교환기 사용된 매니폴드의 사시도이다.
도 5a는 도 1에 도시된 열교환기에 사용된 판 조립체의 사시도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 판 조립체의 일부의 상세 사시도이다.
도 5c는 도 5a에 도시된 판 조립체의 제1, 제2 및 제3 판의 분해 사시도이다.
도 6은 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 열교환기의 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 열교환기에 사용된 판의 평면도이다.
도 8a는 본 개시내용의 또 다른 실시예에 따른 열교환기의 사시도이다.
도 8b는 도 8a에 도시된 커넥터의 상세도이다.
도 8c는 도 8a에 도시된 열교환기의 단면도이다.
도 8d는 도 8a에 도시된 열교환기에 사용된 판의 평면도이다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른 동력 발생 시스템의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 개시내용의 실시예는 초임계 유체일 수도 있는 제1 유체를 포함하는 제1 폐쇄형 브레이턴 사이클 및 주변 공기일 수도 있는 제2 유체를 포함하는 제2 개방형 브레이턴 사이클을 포함하는 동력 발생 시스템과 같은 동력 발생 시스템을 위해 구성된 열교환기(2)이다. 예시적인 동력 발생 시스템(100)은 이하에 개시되어 있으며 도 9에 도시되어 있다. 열교환기(2)는 동력 발생 시스템을 따르는 열교환기의 위치에 따라 제1 및 제2 유체 중의 하나로부터 제1 및 제2 유체 중의 다른 하나로 열을 전달하도록 구성된다.
도 1을 계속 참조하면, 열교환기(2)는 제1 및 제2 판 조립체(40a, 40b)와 같은 적어도 하나의 판 조립체(40), 및 제1 쌍의 매니폴드(90)와 제2 쌍의 매니폴드(92)와 같은 복수의 매니폴드를 포함하는 케이싱 조립체(10)를 포함한다. 매니폴드는 이하에서 추가로 설명되는 바와 같이 제1 및 제2 유동 배열체를 형성하기 위해 각각의 유체를 열교환기(2)를 통해 안내하도록 구성된다. 열교환기(2)는 제1 단부(4), 축방향(A)을 따라 제1 단부(2)에 대향하는 제2 단부(6), 상부(8a), 축방향(A)에 수직인 수직 방향(V)을 따라 상부(8a)에 대향하는 하부(8b), 및 축방향 및 수직 방향(A, V)에 수직인 측방향(L)을 따라 서로 이격되어 있는 대향하는 측부(8c, 8d)를 포함한다. "상부", "하부", "측부", "좌측" 또는 "우측"에 대한 참조는 설명을 위한 것이며 비제한적인 것이다. 수직 방향 및 측방향(V, L)은 제1 및 제2 방향으로 지칭될 수 있다.
케이싱 조립체(10)는 판 조립체(40a, 40b)를 둘러싸서 지지한다. 보다 구체적으로, 케이싱 조립체(10)는 적어도 하나의 판 조립체가 적어도 미리 결정된 온도에 노출될 때 판 조립체(40)에 인가된 장력을 저감시키기 위해 판 조립체(40)가 축방향을 따라 적어도 부분적으로 팽창되도록 축방향(A)을 따라 적어도 하나의 판 조립체(40)에 장력을 인가한다. 케이싱 조립체(10) 및 각각의 판 조립체(40a, 40b)는 케이싱 조립체(10)와 판 조립체(40a, 40b)가 상이한 온도에서 팽창되도록 또는 유사한 온도에 대해 상이한 팽창율을 갖도록 상이한 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조될 수 있다. 이는 작동 중에 판 조립체(40)에 인가되는 제한적인 축방향 힘에 제한을 가하여 열피로 응력을 저감시킬 수 있다. 이는 열피로의 원인인 다양한 구성 부품에서의 열적 유도 변형을 또한 제한한다.
도 2a 및 도 2b를 계속 참조하면, 케이싱 조립체(10)는 제1 판 조립체의 제1 및 제2 단부(42a, 44a)에 각각 커플링된 제1 및 제2 상부 블록(12, 14)을 포함한다. 제1 및 제2 하부 블록(16, 18)은 제2 판 조립체의 제1 및 제2 단부(42b, 44b)에 각각 커플링된다. 예시적인 상부 블록(12)이 도 3a에 도시되어 있다. 블록(14, 16, 18)은 도 3a에 도시된 상부 블록(12)과 유사하게 구성된다. 케이싱 조립체(10)는 블록(12, 16)과 블록(14, 18) 사이에 배치된 중앙 케이싱 패널(20a, 20b, 20c, 20d)(20d는 도시 안 됨)를 또한 포함한다. 상부 및 하부 중앙 케이싱 패널(20a, 20d)은 수직 방향(V)을 따라 이격되어 있다. 중앙 케이싱 패널(20b, 20c)은 측방향(L)을 따라 서로에 대해 이격되어 있다. 따라서, 중앙 케이싱 패널(20a, 20b, 20c, 20d)은 중앙 케이싱 패널(20a, 20b, 20c, 20d)이 판 조립체(40a, 40b)로부터 이격되어 있으면서 판 조립체에 직접 부착되지 않도록 판 조립체(40a, 40b)의 중앙부를 둘러싼다. 케이싱 패널(20a, 20b, 20c, 20d)은 판 조립체(40a, 40b)에서 케이싱 조립체(10)로의 열전달을 방지하도록 비워진 상태일 수 있다. 또한, (도시 안 된)하나 이상의 압력 센서가 누출을 감시하는데 사용될 수 있다. 케이싱 조립체(10)는 또한 밀폐 환경을 형성할 수 있는데, 구체적으로 케이싱 조립체는 진공 밀폐된다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 열교환기(2)는 제1 및 제2 중간 블록(22, 24)을 또한 포함한다. 제1 중간 블록(22)은 판 조립체(40a, 40b)의 제1 단부(42a, 42b) 사이에 위치설정된다. 제2 중간 블록(24)은 판 조립체(40a, 40b)의 제2 단부(44a, 44b) 사이에 위치설정된다. 따라서, 중간 블록(22, 24)은 제1 및 제2 판 조립체(40a, 40b)를 수직 방향(V)을 따라 서로 이격시킨다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 중간 블록(22, 24) 각각은 그 사이에 u자형 간극(30)을 각각 형성하는 아암(26, 28)을 포함한다. 아암(26, 28)의 외측부는 케이싱 패널(20b, 20c)이 중간 블록의 외부 단부와 동일한 높이에 있도록 케이싱 패널(20b, 20c)의 중앙 측부의 단부를 수납하는 절결부(32)를 포함한다. 판 조립체(40a, 40b)의 단부에 중간 블록(22, 24)을 체결시키는 것은 작동중 노출 온도의 변동에 대한 각각의 판 조립체(40a, 40b)의 기계적 반응, 예컨대 팽창 및 수축을 개별화한다. 다시 말하면, 제1 및 제2 판 조립체(40a, 40b)는 적어도 미리 결정된 온도에 노출될 때 축방향(A)을 따라 독립적으로 팽창될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 열교환기(2)에 사용된 제1 판 조립체(40a)를 도시한다. 제2 판 조립체(40b)는 제1 판 조립체(40a)와 사실상 유사하다. 따라서, 제1 판 조립체(40a)만이 이하에 기술된다. 판 조립체(40a)는 서로에 대해 적층된 복수의 판(70), 상부 캡핑 판(48), 및 (도시 안 된)하부 캡핑 판(50)을 포함한다. 판(46, 48, 50)은 사실상 동일한 형상을 가질 수 있다. 도시된 예시적인 실시예에서, 판 조립체(40a)는 10개의 개별 판을 포함한다. 그러나, 10개보다 많은 또는 10개보다 적은 판이 사용될 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 계속 참조하면, 판 조립체(40a)는 제1 유동 배열체(52), 및 제1 유동 배열체(52)와 분리되어 있는 제2 유동 배열체(54)를 형성한다. 제1 및 제2 유동 배열체(52, 54) 각각은 제1 및 제2 유체를 판 조립체(40a)를 통해 각각 안내하기 위해 제1 단부(42a)에서 제2 단부(44a)까지 연장된다. 도시된 바와 같이, 유체가 대체로 열교환기(2)를 가로질러 단부(42a)에서 단부(44a)까지 이동하도록 제1 단부(42a)는 판 조립체(40a)의 유입 단부를 형성하고 제2 단부(44a)는 판 조립체(40a)의 유출 단부를 형성할 수 있다. 따라서, 제1 유동 배열체(52)는 판 조립체(40a)의 제1 단부(42a)에 의해 형성된 제1 유입구(53a) 및 제2 단부(44a)에 의해 형성된 제1 유출 단부(53b)를 포함한다. 제2 유동 배열체(54)는 제1 단부(42a)에 의해 형성된 제2 유입구(55a) 및 판 조립체(40a)의 제2 단부(44a)에 형성된 제2 유출구(55b)를 포함한다.
열교환기(2)는 판 조립체(40a)가 축방향(A)을 따라 인장된 상태로 배치되도록 냉각 상태로 조립된다. 사용 중 가열시, 판 조립체(40a)의 적어도 일부는 판 조립체(40a)가 설계 작동 온도에 노출될 때 축방향 힘을 최소화하기 위해 축방향(A)을 따라 팽창될 수 있다. 예컨대, 판 조립체(40a)는 제1 단부(42a)를 형성하는 제1 플랫폼부(56), 제2 단부(44a)를 형성하는 제2 플랫폼부(58), 및 제1 플랫폼부(56)와 제2 플랫폼부(58) 사이에서 연장되는 사형(serpentine) 부분을 포함한다. 사형 부분은 제1 및 제2 사형부(60, 62)를 포함한다. 사형부(60, 62)는 축방향(A)을 따라 사형부(60, 62)의 팽창과 수축을 가능케 하도록 구성된 슬롯부(64)를 포함한다.
제1 쌍의 매니폴드(90)는 제1 및 제2 유동 배열체의 제1 쌍의 개구인 한 쌍의 유입구(53a, 55a)와 정렬되도록 판 조립체(40a)의 제1 단부(42a)에 부착된다. 제2 쌍의 매니폴드(92)는 유출구(53b, 55b)와 정렬되도록 판 조립체(40a)의 제2 단부(44a)에 부착된다.
도 5c는 판 조립체(40a)를 형성하는 판들의 구성을 도시한다. 상술된 바와 같이, 판 스택(46)은 상술된 제1 및 제2 유동 배열체(52, 54)를 형성하도록 배열된 복수의 판을 포함한다. 도 5c는 3개의 판의 분해도이다. 상부 및 하부 판은 유사하며 제1 판 유형(70a)으로 각각 지칭될 수 있다. 중앙 판(70b)은 판(70a)과는 상이하며 제2 판 유형으로 지칭될 수 있다. 따라서, 스택(46)은 이하에서 추가로 기술되는 바와 같이 유동 배열체(52, 54)를 형성하는 제1 및 제2 판 유형을 포함한다. 판(70a)은 이하에서 기술되는데, 판(70a, 70b)은 달리 언급되지 않는 한 유사하다는 것을 알아야 한다. 판(70a)은 대향하는 단부(72a, 72b), 좌측부(72c), 및 측방향을 따라 좌측부(72c)에 대향하는 우측부(72d)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 좌측부(72c)는 도면의 좌측에 배치되며 그리고 우측부(72d)는 도면 상에서 좌측부(72c)의 우측에 있다. "좌측" 및 "우측"의 사용은 본 명세서에선 비제한적인 것이다. 판(70a)은 하부면(71a), 및 하부면에 대향하는 상부면(71b)을 또한 형성한다. 하부면(71a)은 사실상 평면형이다. 상부면(71b)은 제1 및 제2 유동 채널(80, 82)을 형성한다. 제1 및 제2 유동 채널(80, 82)은 이하에서 추가로 기술된다.
도 5c를 계속 참조하면, 판(70a)은 제1 플랫폼(74), 제2 플랫폼(76), 및 제1 플랫폼(74)에서 제2 플랫폼(76)까지 연장되는 적어도 하나의 사형부를 포함한다. 도시된 바와 같이, 판(70a)은 제1 사형 플랫폼(78r) 및 제2 사형 플랫폼(78l)을 포함한다. 판이 스택(46)으로 조립될 때, 각각의 판을 위한 제1 플랫폼은 판 조립체(40a)의 제1 플랫폼부(56)를 형성하고, 각각의 판을 위한 제2 플랫폼은 판 조립체(40a)의 제2 플랫폼부(58)를 형성하고, 판의 제1 사형 플랫폼은 판 조립체(40a)의 제1 사형부(60)를 형성하며, 제2 사형 플랫폼은 판 조립체(40a)의 제2 사형부(62)를 형성한다. 각각의 판은 또한 측방향(L)을 따라 세장형인 복수의 슬롯(64)을 형성한다. 각각의 슬롯(64)은 각각의 판(70a)이 축방향(A)을 따라 적어도 부분적으로 팽창되는 것을 가능케 한다.
상술된 바와 같이, 각각의 판은 제1 유동 채널(80), 및 제1 유동 채널(80)과 분리되어 있는 제2 유동 채널(82)을 형성한다. 제1 유동 채널(80)은 제1 사형 플랫폼(78r)을 따라 연장되고, 제2 유동 채널(82)은 제2 사형 플랫폼(78l)을 따라 연장된다. 판(70a)은 판(70a)의 대향하는 단부(72a, 72b)에 각각 배치된 제1 유동 채널 입구(84a, 84b)를 포함한다. 판(70a)은 판(70a)의 대향하는 단부(72a, 72b)에 각각 배치된 제2 유동 채널 입구(86a, 86b)를 또한 포함한다. 그러나, 판(70b)은 판(70b)의 대향하는 단부(72a, 72b)에 각각 배치된 제1 유동 채널 입구(84c, 84d)를 포함한다. 판(70b)은 판(70b)의 대향하는 단부(72a, 72b)에 각각 배치된 제2 유동 채널 입구(86c, 86d)를 또한 포함한다.
판(70a) 또는 제1 판 유형과 판(70b) 또는 제2 판 유형의 차이점은 판의 대향하는 단부(72a, 72b)를 따르는 유동 채널 입구의 위치이다. 보다 구체적으로, 판(70a)은 우측부(72d)보다 좌측부(72c)에 더 가까이 배치되는 유입구(84a, 86a)로서 구성된 제1 및 제2 유동 채널 입구, 및 좌측부(72c)보다 우측부(72d)에 더 가까이 배치되는 유출구(84b, 86b)로서 구성된 제1 및 제2 유도 채널 입구를 포함한다. 판(70a)은 "우측 출구" 판으로 지칭될 수도 있다. 그러나, 판(70b)은 좌측부(72c)보다 우측부(72d)에 더 가까이 배치되는 유입구(84c, 86c)로서 구성된 제1 및 제2 유동 채널 입구, 및 우측부(72d)보다 좌측부(72c)에 더 가까이 배치되는 유출구(84d, 86d)로서 구성된 제1 및 제2 유동 채널 입구를 포함한다. 판(70b)은 "좌측 출구" 판으로 지칭될 수도 있다. 제1 및 제2 판(70a, 70b)은 각각의 제1 판(70a)의 제1 및 제2 유동 채널이 제1 유동 배열체(52)를 형성하고 그리고 각각의 제2 판(70b)의 제1 및 제2 유동 채널이 제2 유동 배열체(54)를 형성하도록 교번식으로 적층된다. 제1 유동 채널(80)과 제2 유동 채널(82)의 적어도 일부는 플랫폼부를 따라 서로 평행하다.
도 6 및 도 7은 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 열교환기(302)를 도시한다. 열교환기(302)는 열교환기(2)와 유사하다. 각각의 열교환기의 유사한 구성요소는 유사한 도면 부호를 갖는다. 도시된 실시예에 따르면, 열교환기(302)는 케이싱 조립체(10) 및 판 조립체(340a)를 포함한다. 또한, 각각의 판 조립체(340a)는 제1 유형의 판(370a) 및 제2 유형의 판(370b)을 포함하는 복수의 적층 판을 포함한다. 각각의 판은 플랫폼 단부(56, 58) 사이에서 연장되는 단일 사형부(360)를 형성한다. 또한, 판(370a)은 사형 플랫폼(360)을 따라 연장되는 단일 유동 채널(352)을 형성한다. 판 조립체(340a)는 입구(384, 386)를 형성한다. 케이싱 조립체(10)는 판 조립체(340a)가 적어도 미리 결정된 온도에 노출될 때 판 조립체(340a)에 인가된 장력을 저감시키기 위해 판 조립체(340a)가 축방향(A)을 따라 적어도 부분적으로 팽창되도록 축방향(A)을 따라 판 조립체(340a)에 장력을 인가한다.
도 8a 내지 도 8d는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 열교환기(402)를 도시한다. 열교환기(402)는 열교환기(2)와 유사하다. 각각의 열교환기의 유사한 구성요소는 유사한 도면 부호를 갖는다. 열교환기(402)는 케이싱 조립체(410), 및 제1 단부 및 축방향(A)을 따라 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 포함하는 적어도 하나의 판 조립체(440a)를 포함한다.
각각의 판 조립체(440a)는 측방향(L)을 따라 서로에 대해 적층된 복수의 판(470)을 포함한다. 열교환기는 판 조립체(440a)를 통과하는 제1 유동 배열체(442), 및 각각의 판 조립체(440a) 내의 인접한 판(470) 사이의 간극에 의해 형성되는 제2 유동 배열체(444)를 형성한다. 복수의 판 조립체(440a)는 축방향(A)을 따라 단부 대 단부로 배열될 수 있다.
케이싱 조립체(410)는 케이싱 패널(415a, 415b) 및 한 쌍의 압축 레일(420a, 420b)을 포함한다. 각각의 압축 레일(420a, 420b)은 제1 단부, 및 축방향(A)을 따라 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 포함한다. 압축 레일(420a, 420b)은 축방향(A)을 따라 판 조립체(440a)에 힘을 인가한다. 압축 레일은 탄화규소와 같은 세라믹 재료로 제조될 수도 있다. 열교환기(402)는 한 쌍의 압축 레일(420a, 420b)의 제1 단부를 서로 커플링시키는 제1 커플러 조립체(450a), 및 한 쌍의 압축 레일(420a, 420b)의 제2 단부를 서로 커플링시키는 제2 커플러 조립체(450b)를 또한 포함한다. 제1 커플러 조립체(450a)는 제1 판 조립체(440a)의 유입 단부에 커플링되어 제1 커플러 조립체(450a)는 제1 판 조립체(440a) 내로의 유체용 유입로를 형성한다. 제2 커플러 조립체(450b)는 제2 판 조립체(440n)의 유출 단부에 커플링되어 제2 커플러 조립체(450b)는 제2 판 조립체(450n)를 빠져나갈 유체용 유출로를 형성한다. 제1 및 제2 커플러 조립체(450a, 450b) 각각은 압축 레일(420a, 420b) 각각의 제1 및 제2 단부와 접촉하는 잭킹 스크류(jacking screw)를 포함하는 잭킹 메커니즘(jacking mechanism)을 포함하여, 그로 인해 축방향(A)을 따라 판 조립체(440a, 440n)에 장력을 인가한다. 도 8d에 도시된 바와 같이, 각각의 판(470)은 제1 곡선형 절결부(472), 제2 곡선형 절결부(474), 중앙 절결부(475), 및 제1 곡선형 절결부(472)에서 제2 곡선형 절결부(476)까지 연장되는 슬롯(476)을 포함한다. 각각의 판(470)은 내부 유동 채널(478)을 형성한다. 열교환기(402) 내의 각각의 판의 유동 채널(478)은 제1 유동 배열체를 형성한다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른 동력 발생 시스템(100)의 개략도이다. 동력 발생 시스템(100)은 작동 유체가 초임계 유체일 수도 있는 제1 폐쇄형 브레이턴 사이클(102), 및 작동 유체가 주변 공기일 수도 있는 제2 개방형 브레이턴 사이클(104)을 포함한다. 제1 브레이턴 사이클(102) 및 제2 브레이턴 사이클(104)은 초임계 유체 유동 경로(106) 및 공기 유체 유동 경로(108)를 각각 포함한다. 일 실시예에서 유동 경로(106, 108)는 2개의 유동 경로(106, 108) 사이에서 초임계 유체와 공기 간의 혼합이 거의 유발되지 않거나 또는 전혀 유발되지 않도록 분리되어 있다.
동력 발생 시스템(100)은 압축기, 터빈, 하나 이상의 연소기, 및 유동 경로(106, 108)를 따라 연결된 복수의 열교환기를 포함한다. 열교환기는 복수의 교차 사이클 열교환기(132, 134, 136, 138)를 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "교차 사이클 열교환기"라는 용어는 공기 흡입 사이클(104)로부터 공기 또는 공기와 연소 가스 양자를 수용할 뿐만 아니라 초임계 유체 사이클(102)로부터 초임계 유체를 수용하며 그리고 두 사이클에서 유체들 간에 열을 전달하는 열교환기를 지칭한다. 또한, 동력 발생 시스템(100)은 초임계 유체 유동 경로(106)를 따라 복열식 열교환기(recuperating heat exchanger)(130)를 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "복열식 열교환기"라는 용어는 SCO2 터빈으로부터 배출된 초임계 유체와 초임계 유체 사이클(102) 내의 SCO2 압축기로부터 배출된 초임계 유체 사이의 열전달 장치를 지칭한다. 동력 발생 시스템(100)은 밸브(122), 유량계(140), 혼합 결합부(mixing junction)(124), 및 동력 발생 시스템(100)의 작동을 제어하도록 구성된 하나 이상의 제어기를 또한 포함할 수도 있다. 모든 열교환기(130, 132, 134, 136, 138) 중의 어떤 것도 상술된 바와 같은 열교환기(2, 302, 402)와 유사할 수도 있다.
도 9를 계속 참조하면, 초기에 초임계 유체의 스트림(202)은 축류(axial), 반경류(radial), 복열식 또는 유사한 유형의 압축기일 수도 있는 압축기(110)의 입구에 공급된다. 압축기(110)는 제1 SCO2 압축기(110)로 지칭될 수도 있다. 압축기(110)는 터빈(114)에 작동적으로 연결된 샤프트(112)를 포함한다. 터빈(114)은 제1 SCO2 터빈(114)으로 지칭될 수도 있다. 스트림(202)을 따르는 유량계(140)는 압축기 입구로 공급된 초임계 유체의 유량을 측정한다. 유량계(140)는 초임계 유체 사이클(102) 내에서의 총 SCO2 질량의 제어뿐만 아니라 전이 유체 거동을 용이하게 한다. 일 실시예에서, 초임계 유체는 이하에서 기술되는 바와 같이 그 임계점에 가까운 온도와 압력으로 냉각 및 팽창된 후에 SCO2 압축기(110)의 입구에 유입된다. "초임계 유체"라는 용어는 별개의 액체상과 기체상이 존재하지 않는 유체를 나타내며, 초임계 유체의 "임계점"이라는 용어는 물질이 초임계 상태에 있다고 할 수 있는 최저 온도와 압력을 나타낸다. "임계 온도" 및 "임계 압력"이라는 용어는 임계점에서의 온도 및 압력을 나타낸다. 이산화탄소에 있어서, 임계점은 대략 304.2°K 및 7.35㎫이다. 일 실시예에서, 압축기(110)에 유입되는 초임계 유체는 그 임계점의 적어도 ±2°K 내로 냉각된다. 다른 실시예에서, 압축기(110)에 유입되는 초임계 유체는 그 임계점의 ±1°K 내로 냉각된다. 또 다른 실시예에서, 압축기(110)에 유입되는 초임계 유체는 그 임계점의 ±.2°K 내로 냉각된다.
도 9를 계속 참조하면, SCO2 압축기(110) 내에서의 압축 이후에, 초임계 유체의 배출 스트림(204)은 제1 및 제2 배출 스트림(206, 208)으로서 제1 및 제2 부분으로 분할된다. 스트림(206, 208)은 본 명세서에서 압축기 배출 스트림(206, 208)으로 지칭될 수도 있다. 그런 분할로 인해 압축기(110)로부터의 배출 스트림(204)의 제1 부분은 복열되고 그리고 나머지 부분은 유동 경로(108)를 통한 공기 유체 순환으로 일련의 열교환기(134, 132)에 의해 직접 가열될 수 있다. 도시된 바와 같이, 배출 스트림(204)은 (도시 안 된)제어기와 전자 통신할 수 있는 밸브(122a)를 통해 분할된다. 제어기는 필요에 따라 유동을 유동 경로(106)를 통해 안내하기 위해 밸브(122a)를 작동 또는 가동시킨다. 일 실시예에서, 밸브(122a)는 배출 스트림(204)의 55% 내지 약 75%를 제1 배출 스트림(206)으로 안내하도록 구성된다. 배출 스트림(204)의 유동의 나머지 부분은 제2 배출 스트림(208)으로 안내된다. 다른 실시예에서, 밸브(122a)는 배출 스트림(204)의 약 67%를 제1 배출 스트림(206)으로 안내하도록 구성된다.
도 9를 계속 참조하면, 초임계 유체의 제1 배출 스트림(206)은 복열식 열교환기(130)로 안내되며, 이 복열식 열교환기에서 열이 터빈(116)을 빠져나가는 가열된 SCO2로부터 제1 배출 스트림(206)으로 전달된다. 복열식 열교환기(130)로부터 배출된 가열된 SCO2의 스트림(219)은 결합부(124a)로 안내되고 그리고 교차 사이클 열교환기(134)를 빠져나가는 가열된 SCO2의 스트림(210)과 혼합된다.
도 9에 도시된 바와 같이, SCO2 압축기(110)으로부터의 제2 배출 스트림(208)은 교차 사이클 열교환기(134)로 안내된다. 교차 사이클 열교환기(134) 내에서, 유동 경로(108) 내의 연소 가스로부터의 열이 SCO2의 제2 배출 스트림(208)으로 전달된다. 열교환기(134)로부터 배출된 스트림(210)은 상술된 바와 같은 결합부(124a)에서 복열식 열교환기(130)로부터의 SCO2의 스트림(219)과 혼합된다. 결합부(124a)는 도관에 연결되는 조인트일 수도 있거나 또는 혼합 장치를 포함할 수도 있다.
혼합된 스트림(212)은 교차 사이클 열교환기(132)로 공급된다. 교차 사이클 열교환기(132) 내에서, 열이 유동 경로(108) 내의 연소 가스로부터 SCO2의 혼합된 스트림으로 전달된다. 교차 사이클 열교환기(132)는 가열된 SCO2의 스트림(214)을 배출한다.
열교환기(132)로부터의 가열된 SCO2의 스트림(214)은 제1 SCO2 터빈(114)의 입구로 안내된다. 제1 SCO2 터빈(114)은 축류, 반경류, 혼합 유동식 또는 유사한 유형의 터빈일 수도 있다. 제1 SCO2 터빈(114)은 SCO2를 팽창시키며 그리고 샤프트(112)를 통해 SCO2 압축기(110)를 구동시키는 샤프트 동력을 생성한다. 제1 SCO2 터빈(114) 내에서의 팽창 이후에, 스트림(215)은 샤프트(118)를 통해 발전기(120)용 샤프트 동력을 생성하는 제2 SCO2 터빈(116)을 통해 순환된다. 발전기(120)는 출력 동력을 동력 발생 시스템(100)에 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 사이클(102)은 샤프트(118)가 터빈(114)과 발전기(120)에 연결된 상태로 하나의 터빈(114)을 포함할 수도 있다. 그런 실시예에서, 배출 스트림(216)은 터빈(114)으로부터 밸브(122b)로 배출될 수도 있다.
도 9를 계속 참조하면, 제2 SCO2 터빈(116)으로부터의 배출 스트림(216)은 배출 스트림(218)과 배출 스트림(222)과 같이 제1 및 제2 부분으로 분할될 수도 있다. 배출 스트림(218)과 배출 스트림(222)은 제1 및 제2 배출 스트림(218, 222)으로 지칭될 수도 있다. 도시된 바와 같이, 밸브(122b)는 배출 스트림(216)을 제1 및 제2 배출 스트림(218, 222)으로 분할시킬 수 있다. 제어기는 밸브(122b)를 작동 또는 가동시킨다. 일 실시예에서, 밸브(122b)는 배출 스트림(216)의 70% 내지 약 90%를 제2 배출 스트림(222)으로 안내하도록 구성된다. 배출 스트림(216)의 유동의 나머지 부분은 제1 배출 스트림(218)으로 안내된다. 다른 실시예에서, 밸브(122b)는 배출 스트림(216)의 약 80%를 제2 배출 스트림(222)으로 안내하도록 구성된다. SCO2 터빈 배출 스트림(216)이 어떻게 분할되는지와는 상관 없이, 제1 배출 스트림(218)은 교차 사이클 열교환기(136)로 안내되고 그리고 유동 경로(108)를 따라 교차 사이클 열교환기(136)를 통과하는 공기의 유동에 의해 냉각된다.
제2 배출 스트림(222)은 복열식 열교환기(130)로 안내되며, 이 복열식 열교환기에서 배출 스트림(222)으로부터의 열은 SCO2 압축기(110)로부터의 제1 배출 스트림(206)으로 전달된다. 다시 말하면, 복열식 열교환기(130)는 SCO2의 배출 스트림(222)을 냉각시킨다. 복열식 열교환기(130)로부터의 냉각된 SCO2의 배출 스트림(224)은 결합부(124b)에서 교차 사이클 열교환기(136)로부터의 유입 스트림(222)과 혼합된다. 결합부(124b)로부터, 혼합된 스트림(226)은 선택 사항일 수도 있는 교차 사이클 열교환기(138)로 안내된다. 예컨대, 혼합된 스트림(226)은 압축기(110)로 직접 안내될 수도 있다. 상술된 바와 같이, 교차 사이클 열교환기(138) 내에서 SCO2의 혼합된 스트림(226)으로부터의 열은 공기 사이클(104)의 유동 경로(108)로 전달된다. 냉각된 SCO2의 스트림(128)은 (선택 사항일 수도 있는)냉각기(126)를 통해 안내되어 스트림(202)으로서 SCO2 압축기(110)의 입구로 복귀된다. 공급부(109)로부터의 추가적인 SCO2가 시스템으로부터의 SCO2의 임의의 누출을 보상하기 위해 SCO2 압축기(110)로 안내된 SCO2의 스트림(202)으로 도입될 수 있다. 어떤 경우에도, SCO2 스트림(202)은 압축기(110)의 입구로 복귀되며 그리고 압축-가열-팽창-냉각의 단계는 반복된다.
도 9를 계속 참조하면, 전체 시스템(100)의 공기 흡입 사이클(104) 부분은 개방형 유동 경로(108)를 형성한다. 초기에, 주변 공기(101)는 축류, 반경류, 복열식 또는 유사한 유형의 압축기일 수도 있는 공기 흡입 압축기(150)에 공급된다. 압축기(150)는 터빈(154)에 작동적으로 연결된 샤프트(152)를 포함한다. 압축기(150)로부터의 압축된 공기의 스트림(230)은 이어서 상술된 바와 같은 열교환기(130, 136)를 통해 터빈(116)으로부터 배출된 SCO2의 혼합된 스트림(226)으로부터의 열의 전달에 의해 (선택 사항일 수도 있는)열교환기(138) 내에서 가열된다. 가열된 압축 공기의 스트림(232)은 후속하여 열교환기(136)로 안내되며, 이 열교환기에서 SCO2의 스트림(218)으로부터의[SCO2 터빈(116)으로부터의] 열이 압축 공기의 스트림(232)으로 전달된다. 배출 스트림(234)은 연소기(158)로 안내된다. 연소기(158)는 터빈(154)의 터빈 입구에서의 필요 온도를 초과하게 압축 공기 스트림(234)의 온도를 상승시킨다. 압축기(150)는 터빈(154)에 의해 동력이 공급된 샤프트(152)를 통해 작동될 수 있다. 연소기(158)는 화석 연료 또는 다른 연료 유형과 같은 연료(103)의 스트림을 수용할 수 있다. 연소기(158)는 시스템 열을 생성하는 태양열 집열기 또는 원자로에 의해, 또는 폐기물, 생물량 또는 생물 유도 연료의 연소를 포함하는 몇몇 다른 열원에 의해 작동될 수 있다. 연소기(158)로부터의 연소 가스의 배출 스트림(236)은 터빈(154)으로 안내되며, 이 터빈에서 팽창될 수도 있다. 팽창된 고온 연소 가스의 스트림(220)은 열교환기(132)로 안내되며, 이 열교환기에서 열은 고온 연소 가스로부터 상술된 SCO2의 혼합된 스트림(212)으로 전달된다. 열교환기(132)를 빠져나간 후에, 고온 연소 가스의 스트림(241)은 열교환기(134)로 안내되며, 이 열교환기에서 열은 고온 연소 가스로부터 상술된 바와 같은 SCO2 압축기(110)로부터의 SCO2의 배출 스트림(208)으로 전달된다. 열교환기(134)의 배출 스트림(107)은 대기로 배기될 수도 있다.
상술된 내용은 설명을 위한 것일 뿐 본 발명을 제한하려는 것으로 해석되어선 안 된다. 본 발명은 바람직한 실시예 또는 바람직한 방법을 참조하여 기술되었지만, 본 명세서에 사용된 용어들은 제한적인 용어가 아닌 설명과 예시를 위한 용어이다. 또한, 본 발명은 특정 구조, 방법 및 실시예를 참조하여 본 명세서에 기술되었지만, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주 내에 있는 모든 구조, 방법 및 용도까지 미치기 때문에 본 발명은 본 명세서에 개시된 특정 사항으로 제한되는 것이 아니다. 본 명세서의 교시에서 이익을 보는 통상의 기술자는 본 명세서에 개시된 바와 같은 발명에 대한 수많은 변형예를 달성할 수도 있으며, 첨부된 청구범위에 의해 규정된 바와 같은 본 발명의 범주와 기술사상을 벗어나지 않고 변형예를 달성할 수도 있다.

Claims (29)

  1. 동력 발생 시스템을 위해 구성된 열교환기이며,
    a. 제1 단부, 축방향을 따라 제1 단부에 대향하는 제2 단부, 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 적어도 하나의 사형부를 포함하는 적어도 하나의 판 조립체로서, 적어도 하나의 사형부는 축방향에 수직인 측방향을 따라 정렬되고 축방향을 따라 적어도 하나의 사형부의 열팽창과 수축을 가능케 하도록 구성된 복수의 슬롯부를 포함하고, 각각의 판 조립체는 서로에 대해 적층된 복수의 판을 포함하고, 적어도 하나의 판 조립체는 제1 유동 배열체, 및 제1 유동 배열체와 분리되어 있는 제2 유동 배열체를 형성하며, 제1 및 제2 유동 배열체는 제1 및 제2 유체를 적어도 하나의 판 조립체를 통해 각각 안내하기 위해 적어도 하나의 사형부를 따라 제1 단부에서 제2 단부까지 연장되는, 적어도 하나의 판 조립체와,
    b. 상기 적어도 하나의 판 조립체가 적어도 미리 결정된 온도에 노출될 때 판 조립체에 인가된 장력을 저감시키기 위해 각각의 판이 축방향을 따라 적어도 부분적으로 팽창되도록, 축방향을 따라 적어도 하나의 판 조립체에 장력을 인가하는 케이싱 조립체를 포함하는, 열교환기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 판 조립체는 제1 단부를 형성하는 제1 플랫폼부, 및 제2 단부를 형성하는 제2 플랫폼부를 포함하고, 적어도 하나의 사형부는 제1 플랫폼부와 제2 플랫폼부 사이에서 연장되는, 열교환기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 사형부는 제1 사형부, 및 제1 사형부와 분리되어 있는 제2 사형부인, 열교환기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 판 조립체는 제1 판 조립체 및 제2 판 조립체이며, 제1 및 제2 판 조립체는 적어도 미리 결정된 온도에 노출될 때 축방향을 따라 독립적으로 팽창될 수 있는, 열교환기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 판 조립체는 제1 판 조립체 및 제2 판 조립체이며, 상기 제1 판 조립체 및 제2 판 조립체는 축방향에 수직인 수직 방향을 따라 서로에 대해 이격되어 있는, 열교환기.
  6. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 판 조립체는 제1 판 조립체 및 제2 판 조립체이며, 상기 열교환기는 상기 제1 및 제2 판 조립체의 제1 단부들 사이에 배치되는 제1 중간 블록과, 제1 및 제2 판 조립체의 제2 단부들 사이에 배치되는 제2 중간 블록을 더 포함하며,
    상기 제1 및 제2 중간 블록은 제1 판 조립체를 제2 판 조립체로부터 분리시키는, 열교환기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 판 조립체는 제1 판 조립체 및 제2 판 조립체이며, 상기 제1 판 조립체 및 제2 판 조립체는 축방향을 따라 서로에 대해 이격되어 있는, 열교환기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 유동 배열체는 적어도 하나의 판 조립체의 제1 단부에 의해 형성되는 제1 유입구 및 적어도 하나의 판 조립체의 제2 단부에 의해 형성되는 제1 유출구를 포함하며, 제2 유동 배열체는 적어도 하나의 판 조립체의 제1 단부에 의해 형성되는 제2 유입구 및 적어도 하나의 판 조립체의 제2 단부에 의해 형성되는 제2 유출구를 포함하는, 열교환기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 판 조립체의 제1 단부에 부착되는 제1 쌍의 매니폴드, 및 상기 적어도 하나의 판 조립체의 제2 단부에 부착되는 제2 쌍의 매니폴드를 더 포함하고, 제1 쌍의 매니폴드는 제1 및 제2 유동 배열체의 제1 쌍의 개구와 정렬되며, 제2 쌍의 매니폴드는 제1 및 제2 유동 배열체의 제2 쌍의 개구와 정렬되는, 열교환기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 복수의 판은 축방향에 수직인 수직 방향을 따라 서로에 대해 적층되는, 열교환기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 복수의 판은 축방향에 수직인 측방향을 따라 서로에 대해 적층되는, 열교환기.
  12. 제1항에 있어서, 각각의 판은 제1 유동 채널, 및 제1 유동 채널과 분리되어 있는 제2 유동 채널을 형성하는, 열교환기.
  13. 제1항에 있어서, 2개의 상이한 판이 제1 유동 채널, 및 제1 유동 채널과 분리되어 있는 제2 유동 채널을 형성하는, 열교환기.
  14. 제12항에 있어서, 각각의 판은 제1 플랫폼, 제2 플랫폼, 제1 플랫폼에서 제2 플랫폼까지 연장되는 적어도 하나의 사형부를 포함하는, 열교환기.
  15. 제14항에 있어서, 적어도 하나의 사형부는 제1 사형 플랫폼 및 제2 사형 플랫폼이고, 제1 유동 채널은 제1 사형 플랫폼을 따라 연장되며, 제2 유동 채널은 제2 사형 플랫폼을 따라 연장되는, 열교환기.
  16. 제12항에 있어서, 각각의 판은 대향하는 단부, 좌측부, 및 좌측부에 대향하는 우측부를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 판 조립체의 제1 판은 우측부보다 좌측부에 더 가까이 배치되는 제1 및 제2 유동 채널 유입구, 및 좌측부보다 우측부에 더 가까이 배치되는 제1 및 제2 유동 채널 유출구를 포함하는, 열교환기.
  17. 제16항에 있어서, 상기 적어도 하나의 판 조립체의 제2 판은 좌측부보다 우측부에 더 가까이 배치되는 제1 및 제2 유동 채널 유입구, 및 우측부보다 좌측부에 더 가까이 배치되는 제1 및 제2 유동 채널 유출구를 포함하는, 열교환기.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1 및 제2 판은 각각의 제1 판의 제1 및 제2 유동 채널이 제1 유동 배열체를 형성하고 그리고 각각의 제2 판의 제1 및 제2 유동 채널이 제2 유동 배열체를 형성하도록 교번식으로 적층되는, 열교환기.
  19. 제12항에 있어서, 각각의 판은 하부면, 및 하부면에 대향하는 상부면을 포함하고, 하부면은 사실상 평면형이며, 상부면은 제1 및 제2 유동 채널을 형성하는, 열교환기.
  20. 제13항에 있어서, 상기 제1 유동 채널과 제2 유동 채널의 일부분은 서로에 대해 평행한, 열교환기.
  21. 동력 발생 시스템을 위해 구성된 열교환기이며,
    a. 제1 단부, 및 축방향을 따라 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 포함하는 적어도 하나의 판 조립체로서, 각각의 판 조립체는 서로에 대해 적층된 복수의 판을 포함하고, 적어도 하나의 판 조립체는 제1 유동 배열체, 및 제1 유동 배열체와 분리되어 있는 제2 유동 배열체를 형성하며, 제1 및 제2 유동 배열체는 제1 및 제2 유체를 적어도 하나의 판 조립체를 통해 각각 안내하기 위해 제1 단부에서 제2 단부까지 연장되는, 적어도 하나의 판 조립체와,
    b. 한 쌍의 압축 레일을 포함하는 케이싱 조립체로서, 각각의 압축 레일은 제1 단부, 및 축방향을 따라 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 포함하고, 압축 레일은 상기 적어도 하나의 판 조립체가 적어도 미리 결정된 온도에 노출될 때 판 조립체에 인가된 장력을 저감시키기 위해 적어도 하나의 판 조립체 내의 복수의 판의 각각의 판이 축방향을 따라 적어도 부분적으로 팽창되도록, 축방향을 따라 적어도 하나의 판 조립체에 장력을 인가하는, 케이싱 조립체를 포함하는, 열교환기.
  22. 제21항에 있어서, 각각의 판은 축방향에 수직인 측방향을 따라 서로에 대해 적층되는, 열교환기.
  23. 삭제
  24. 제21항에 있어서, 상기 적어도 하나의 판 조립체는 축방향을 따라 단부 대 단부로 배열된 복수의 판 조립체들인, 열교환기.
  25. 제21항에 있어서, 한 쌍의 압축 레일의 상기 제1 단부를 서로 커플링시키는 제1 커플러 조립체, 및 한 쌍의 압축 레일의 상기 제2 단부를 서로 커플링시키는 제2 커플러 조립체를 더 포함하는, 열교환기.
  26. 제25항에 있어서, 제1 커플러 조립체는, 제1 커플러 조립체가 제1 판 조립체 내로의 유체용 유입로를 형성하도록, 제1 판 조립체의 유입 단부에 커플링되고, 제2 커플러 조립체는 제2 커플러 조립체가 제2 판 조립체를 빠져나갈 유체용 유출로를 형성하도록 제2 판 조립체의 유출 단부에 커플링되는, 열교환기.
  27. 제21항에 있어서, 각각의 판은 내부 유동 채널을 형성하는, 열교환기.
  28. 제21항에 있어서, 각각의 판은 제1 유동 배열체를 형성하며, 판들 사이의 간극이 제2 유동 배열체를 형성하는, 열교환기.
  29. 제25항에 있어서, 제1 커플러 조립체와 제2 커플러 조립체는 각각의 압축 레일의 제1 및 제2 단부와 접촉하는 잭킹 스크류(jacking screw)를 더 포함하여, 그로 인해 축방향을 따라 적어도 하나의 판 조립체에 장력을 인가하는, 열교환기.
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